CN102751094A - 一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子器件以及系统级封装集成技术领域，具体涉及一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容。所述铁电薄膜电容包括：下部电极；设置于所述下部电极上的硅基底；设置于所述硅基底上的铁电薄膜电介质层；设置于所述铁电薄膜电介质层上的上部电极；所述下部电极与所述硅基底之间形成欧姆接触。本发明还提供一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法。本发明在硅基底上形成铁电薄膜电介质层，具有较高的介电常数及较低的厚度，从而获得较大的电容密度，可实现分立式埋入电容；此外，本发明在下部电极和硅基底之间形成欧姆接触，便于电极的引出和连接，提高了同电路板工艺的兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件以及系统级封装集成技术领域，具体涉及一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容及其制备方法。
背景技术
长期以来，微电子封装技术一直追随着集成电路的发展而前进，新一代集成电路的出现就会有相关的微电子封装技术和工艺与之相匹配。但在电子信息技术飞速发展的今天，芯片的特征尺寸不断地减小，致使一直引领IC产业发展的摩尔定律也遇到了前所未有的技术瓶颈。与此同时，系统级封装(SiP)等微电子封装技术的出现和发展使得封装技术的角色已不仅仅是追逐集成电路的发展，而是与集成电路技术一同致力于解决电子产品小型化、多功能、集成化所存在的众多问题。
通常SiP是指在一个封装中组合或堆叠多种IC芯片和多种电子元器件，可通过键合、倒装芯片、堆叠器件、埋入器件或多层封装等多种技术的组合来达到高的功能密度和小的封装尺寸。系统级封装是一个庞大的系统工程，是多学科交叉的研究领域，其中，无源器件埋入技术，即将包括电容、电阻、电感在内的电子元器件埋入到封装基板内的工艺技术，是系统级封装领域中的关键技术之一，成为缩小封装尺寸、提高封装性能的主要技术手段，并为电子产品小型化、集成化提供解决方案。目前在埋入技术中，电容的埋入已经成为主要的研究热点。
如图1所示，目前的埋入式电容主要是采用传统的金属-绝缘体-金属(MIM)薄膜电容结构，以铜箔11作为电极，以聚合物基体添加高介电常数无机物颗粒作为中间电介质层12，整个埋入式电容可以被看成一个双面覆铜板，因而能够很好地兼容PCB和封装基板的工艺流程。但是，对于MIM有机无机复合薄膜电容，由于有机聚合物基体的存在，使其介电常数的提高较为困难，通常是在10-50的范围内，此外复合材料本身的性质和成膜工艺技术的限制，使其厚度很难降到10μm以下，这些因素限制了这种埋入式电容的电容密度的提高。在小的电容密度下，要提高电容值，就需要获得较大的电极面积，因此复合薄膜电容主要应用于尺寸相对较大的PCB埋入技术上，而其在尺寸相对较小的封装基板方面的应用则受到较大的限制。另一方面，复合薄膜电容的低电容密度也决定了其埋入形式为平面共容方式，而很难实现分立式埋入电容的广泛应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容，由于获得较大的电容密度，可实现分立式埋入电容，而且便于电极的引出和连接，提高了同电路板工艺的兼容性。
本发明的另一目的在于提供一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容，所述铁电薄膜电容包括：
下部电极；
设置于所述下部电极上的硅基底；
设置于所述硅基底上的铁电薄膜电介质层；
设置于所述铁电薄膜电介质层上的上部电极；
所述下部电极与所述硅基底之间形成欧姆接触。
上述方案中，所述硅基底与所述铁电薄膜电介质层之间设有导电缓冲层。
上述方案中，所述导电缓冲层为金属薄膜或导电氧化物薄膜或由金属薄膜和导电氧化物薄膜组成的叠层薄膜。
上述方案中，所述下部电极由金属和/或金属合金组成，包括并不限于铝、铂、银、金、钛、钼、镍、钨、铬、钯、钛钨合金、钛铝合金、镍铬合金、钨钼合金、钛金合金中的一种或多种。
上述方案中，所述硅基底的掺杂浓度大于1016cm-3。
上述方案中，所述铁电薄膜电介质层是由一种铁电材料组成的单相薄膜或由多种铁电材料组成的多相叠层薄膜。
上述方案中，所述铁电薄膜电介质层的厚度为0.1μm～2μm。
上述方案中，所述铁电材料包括并不限于钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅、锆钛酸铅、钛酸镧铅、铁酸铋、钛酸铋、锡钛酸钡、钛酸钙、铌镁酸铅或铌酸锶钡。
上述方案中，所述上部电极由金属构成，包括并不限于铜、铝、铂、银、金、钛、钼、镍、钨、铬、钯中的一种或多种。
一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤（1） 将硅基底进行掺杂处理，掺杂浓度大于1016cm-3；
步骤（2） 在所述硅基底上通过溅射、溶胶-凝胶、金属有机化学气相沉积或脉冲激光沉积等方法形成铁电薄膜电介质层的工序；
步骤（3） 在所述铁电薄膜电介质层上通过溅射法或蒸发法形成上部电极的工序；
步骤（4） 在硅基底未结合有铁电薄膜电介质层的一侧通过溅射法或蒸发法形成下部电极层的工序；
步骤（5） 将经过上述步骤得到的结构进行合金化处理，形成金属或金属合金-硅欧姆接触，得到基于欧姆接触的铁电薄膜电容。
一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤（1） 将硅基底进行掺杂处理，掺杂浓度大于1016cm-3；
步骤（2） 在所述硅基底上通过溅射法形成金属薄膜或导电氧化物薄膜或由金属薄膜和导电氧化物薄膜组成的叠层薄膜作为导电缓冲层的工序；
步骤（3） 在所述导电缓冲层上通过溅射、溶胶-凝胶、金属有机化学气相沉积或脉冲激光沉积等方法形成铁电薄膜电介质层的工序；
步骤（4） 在所述铁电薄膜电介质层上通过溅射法或蒸发法形成上部电极的工序；
步骤（5） 在硅基底未结合有导电缓冲层的一侧通过溅射法或蒸发法形成下部电极层的工序；
步骤（6） 将经过上述步骤得到的结构进行合金化处理，形成金属或金属合金-硅欧姆接触，得到基于欧姆接触的铁电薄膜电容。
上述方案中，所述合金化处理的温度为300℃～550℃。
与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：
本发明在硅基底上形成铁电薄膜电介质层，具有较高的介电常数及较低的电介质层厚度，从而获得较大的电容密度，可实现分立式埋入电容；此外，本发明在下部电极和硅基底之间形成欧姆接触，便于电极的引出和连接，提高了同电路板工艺的兼容性。
附图说明
图1为传统MIM埋入式薄膜电容的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的基于欧姆接触的铁电薄膜电容的结构示意图。
图3为本发明另一实施例提供的基于欧姆接触的铁电薄膜电容的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图2所示，本发明实施例提供一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容，从下至上依次包括：下部电极21，硅基底22，铁电薄膜电介质层23，上部电极24。
其中，下部电极由金属和/或金属合金构成，包括并不限于铝、铂、银、金、钛、钼、镍、钨、铬、钯、钛钨合金、钛铝合金、镍铬合金、钨钼合金、钛金合金等中的一种或多种。也就是说下部电极可以是一种金属组成，也可以是多种金属组成，如Al/Pt/Ti；可以是一种金属合金组成，也可以是多种金属合金组成，如AlTi/TiW；可以是金属和金属合金的组成，如Al/AlTi。
硅基底的掺杂浓度大于1016cm-3。
铁电薄膜电介质层的厚度为0.1μm～2μm，是由一种铁电材料组成的单相薄膜或由多种铁电材料组成的多相叠层薄膜。铁电材料包括并不限于钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅、锆钛酸铅、钛酸镧铅、铁酸铋、钛酸铋、锡钛酸钡、钛酸钙、铌镁酸铅、铌酸锶钡等。
上部电极由金属构成，包括并不限于铜、铝、铂、银、金、钛、钼、镍、钨、铬、钯等中的一种或多种。
如图3所示，本发明另一实施例提供一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容，从下至上依次包括：下部电极31，硅基底32，导电缓冲层33，铁电薄膜电介质层34，上部电极35。
其中，下部电极由金属和/或金属合金构成，包括并不限于铝、铂、银、金、钛、钼、镍、钨、铬、钯、钛钨合金、钛铝合金、镍铬合金、钨钼合金、钛金合金等中的一种或多种。也就是说下部电极可以是一种金属组成，也可以是多种金属组成，如Al/Pt/Ti；可以是一种金属合金组成，也可以是多种金属合金组成，如AlTi/TiW；可以是金属和金属合金的组成，如Al/AlTi。
导电缓冲层为金属薄膜或导电氧化物薄膜或由金属薄膜和导电氧化物薄膜组成的叠层薄膜，其中金属薄膜为铂、金、钛、镍和钨等中的一种或多种，导电氧化物薄膜为镍酸镧、镍酸锂、钴酸镧锶、钌酸锶、铱钡铜氧、氧化铱、氧化铟锡和二氧化钌等中的一种或多种。
铁电薄膜电介质层的厚度为0.1μm～2μm，是由一种铁电材料组成的单相薄膜或由多种铁电材料组成的多相叠层薄膜。铁电材料包括并不限于钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅、锆钛酸铅、钛酸镧铅、铁酸铋、钛酸铋、锡钛酸钡、钛酸钙、铌镁酸铅、铌酸锶钡等。
上部电极由金属构成，包括并不限于铜、铝、铂、银、金、钛、钼、镍、钨、铬、钯等中的一种或多种。
实施例1
一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其结构从下至上依次包含：金属铝下部电极、硅基底、锆钛酸铅铁电薄膜电介质层、金属铂上部电极。
制备上述铁电薄膜电容的步骤具体如下：
步骤（1）通过离子注入技术，对硅基底进行硼掺杂处理，掺杂浓度为1019cm-3；
步骤（2） 在步骤（1）所得的硅基底上通过溅射法沉积锆钛酸铅铁电薄膜电介质层，其具体的成分为Pb(Zr0.4Ti0.6)O3，厚度为0.1μm；
步骤（3） 在步骤（2）所得的锆钛酸铅铁电薄膜电介质层上通过溅射法形成金属铂上部电极，其厚度为150nm；
步骤（4） 在硅基底未结合有锆钛酸铅铁电薄膜电介质层的一侧通过蒸发法形成金属铝下部电极；
步骤（5） 将经过上述4步得到的结构在470℃下进行合金化处理，使金属铝电极与硅基底之间形成欧姆接触，从而获得基于欧姆接触的铁电薄膜电容。
实施例2
一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其结构从下至上依次包含：金属钛下部电极、硅基底、钛/铂导电缓冲层、钛酸钡/钛酸锶多层铁电薄膜电介质层、金属金上部电极。
制备上述铁电薄膜电容的步骤具体如下：
步骤（1）通过离子注入技术，对硅基底进行磷掺杂处理，掺杂浓度为1018cm-3；
步骤（2） 在步骤（1）所得的硅基底上通过溅射法依次溅射金属钛和金属铂，形成钛/铂导电缓冲层，其中钛的厚度为30nm，铂的厚度为100nm；
步骤（3） 在步骤（2）所得的钛/铂导电缓冲层上通过溶胶-凝胶法依次交替沉积钛酸钡和钛酸锶，形成钛酸钡/钛酸锶多层铁电薄膜电介质层，其中单层钛酸钡和钛酸锶的厚度均为30nm，铁电薄膜电介质层的总厚度为0.6μm ；
步骤（4） 在步骤（3）所得的钛酸钡/钛酸锶多层铁电薄膜电介质层上通过溅射法形成金属金上部电极，其厚度为150nm；
步骤（5） 在硅基底未结合有钛/铂导电缓冲层的一侧通过溅射法形成金属钛下部电极层；
步骤（6） 将经过上述5步得到的结构在300℃下进行合金化处理，使金属钛电极与硅衬底之间形成欧姆接触，从而获得基于欧姆接触的铁电薄膜电容。
实施例3
一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其结构从下至上依次包含：金属铂下部电极、硅基底、镍/镍酸镧导电缓冲层、铁酸铋铁电薄膜电介质层、金属铜上部电极。
制备上述铁电薄膜电容的步骤具体如下：
步骤（1）通过离子注入技术，对硅基底进行磷掺杂处理，掺杂浓度为1020cm-3；
步骤（2） 在步骤（1）所得的硅基底上通过溅射法依次溅射镍和镍酸镧，形成镍/镍酸镧导电缓冲层，其中镍的厚度为30nm，镍酸镧的厚度为50nm；
步骤（3） 在步骤（2）所得的镍/镍酸镧导电缓冲层上通过金属有机化学气相沉积法沉积铁酸铋铁电薄膜电介质层，其厚度为2μm；
步骤（4） 在步骤（3）所得的铁酸铋铁电薄膜电介质层上通过溅射法形成金属铜上部电极，其厚度为200nm；
步骤（5） 在硅基底未结合有镍/镍酸镧导电缓冲层的一侧通过溅射法形成金属铂下部电极层；
步骤（6） 将经过上述5步得到的结构在550℃下进行合金化处理，使金属铂电极与硅衬底之间形成欧姆接触，从而获得基于欧姆接触的铁电薄膜电容。
本发明在硅基底上形成铁电薄膜电介质层，具有较高的介电常数，从而获得较大的电容密度，可实现分立式埋入电容；此外，本发明在下部电极和硅基底之间形成欧姆接触，便于电极的引出和连接，提高了同电路板工艺的兼容性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其特征在于，所述铁电薄膜电容包括：
下部电极；
设置于所述下部电极上的硅基底；
设置于所述硅基底上的铁电薄膜电介质层；
设置于所述铁电薄膜电介质层上的上部电极；
所述下部电极与所述硅基底之间形成欧姆接触。
2.如权利要求1所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其特征在于：所述硅基底与所述铁电薄膜电介质层之间设有导电缓冲层。
3.如权利要求2所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其特征在于：所述导电缓冲层为金属薄膜或导电氧化物薄膜或由金属薄膜和导电氧化物薄膜组成的叠层薄膜。
4.如权利要求1所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其特征在于：所述下部电极由一种或多种金属和/或金属合金组成。
5.如权利要求1所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其特征在于：所述硅基底的掺杂浓度大于1016cm-3。
6.如权利要求1所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其特征在于：所述铁电薄膜电介质层是由一种铁电材料组成的单相薄膜或由至少两种铁电材料组成的多相叠层薄膜。
7.如权利要求1所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其特征在于：所述铁电薄膜电介质层的厚度为0.1μm～2μm。
8.如权利要求1所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容，其特征在于：所述上部电极由一种或多种金属组成。
9.一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤（1） 将硅基底进行掺杂处理；
步骤（2） 在所述硅基底上形成铁电薄膜电介质层的工序；
步骤（3） 在所述铁电薄膜电介质层上形成上部电极的工序；
步骤（4） 在硅基底未结合有铁电薄膜电介质层的一侧形成下部电极层的工序；
步骤（5） 将经过上述步骤得到的结构进行合金化处理，形成金属或金属合金-硅欧姆接触，得到基于欧姆接触的铁电薄膜电容。
10.如权利要求9所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法，其特征在于：所述掺杂浓度大于1016cm-3。
11.如权利要求9所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法，其特征在于：所述合金化处理的温度为300℃～550℃。
12.一种基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤（1） 将硅基底进行掺杂处理；
步骤（2） 在所述硅基底上形成金属薄膜或导电氧化物薄膜或由金属薄膜和导电氧化物薄膜组成的叠层薄膜作为导电缓冲层的工序；
步骤（3） 在所述导电缓冲层上形成铁电薄膜电介质层的工序；
步骤（4） 在所述铁电薄膜电介质层上形成上部电极的工序；
步骤（5） 在硅基底未结合有导电缓冲层的一侧形成下部电极层的工序；
步骤（6） 将经过上述步骤得到的结构进行合金化处理，形成金属或金属合金-硅欧姆接触，得到基于欧姆接触的铁电薄膜电容。
13.如权利要求12所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法，其特征在于：所述掺杂浓度大于1016cm-3。
14.如权利要求12所述的基于欧姆接触的铁电薄膜电容的制备方法，其特征在于：所述合金化处理的温度为300℃～550℃。
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